Энергоэффективность и энергосбережение высотных зданий

Энергетический кризис 1992 г. заставил переоценить масшта­бы и способы использования энергии для нормального функциони­рования высотных зданий.

Главной причиной роста энергопотребления считают процесс урбанизации, происходящий во всем мире. Повышенный объем энергопотребления связан со строительством, транспортом, использованием систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В на­стоящее время разработано множество проектных и инженерных решений с автономными системами жизнеобеспечения, а также с пассивными методами с минимальными затратами энергии, взаимосвязанными с природно-климатическими условиями местности. Дневное освещение, естественное затенение, энергетическая эффективность и фотогальванические фасады, ветровые энергетические системы и «висячие» сады внутри зданий – все это вносит свой вклад в значительный прогресс в направлении проектирования все более автономных и самоподдерживающихся высотных зданий. Кроме того, снижению энергоемкости служат архитектурные прие­мы, такие как ориентация здания по сторонам света с учетом преоб­ладающих направлений холодного ветра, максимальное остекление южных фасадов и минимальное остекление северных фасадов, что особенно актуально в нашем суровом климате.

Основные положения энергетической политики направлены на проектирование энергосберегающих комфортных зданий, в которых необходимо применение рациональных архитектурно-технических решений. В настоящее время около 40% всего добываемого в стране топлива расходуется на теплоснабжение и охлаждение зданий, вместе с тем, запасы традиционного природного топлива (угля, нефти, газа) постепенно истощаются как в нашей стране, так и во всем мире.

Одной из важнейших проблем, решаемой в высотных зданиях и комплексах, является их энергоэффективность. На энергоэффектив­ность высотного здания влияют такие факторы, как место расположе­ния объекта, ориентация по сторонам света, функциональное назначе­ние, объемно-пространственное и конструктивное решение, применяе­мые инженерные системы и оборудование. Концепция энергоэффек­тивности высотных зданий заключается в рассмотрении проблемы как единой системы, включающей функционирование зданий и окружаю­щую среду, их взаимовлияние и взаимозависимости друг на друга и нахождение совместного, рационального пути развития.

Существует четыре взаимосвязанных принципа энергоэффек­тивности: энергоэкономичность, интеграция, генерация, регенерация.

Энергоэкономичность – ряд мероприятий, обеспечивающих максимальную защиту потерь тепла наружными ограждениями зда­ний и создающих минимальное энергопотребление ресурсов для создания комфортных условий внутри здания.

Сохранение энергии внутри здания достигается в основном теплозащитой наружных ограждений – стен и окон, когда применя­ются эффективные теплоизоляционные материалы, а в окнах применяют газонаполненные стеклопакеты или стеклопакеты со стеклами с энергозащитными пленками и покрытиями.

Интеграция – комбинирование многих структурных элементов высотного здания, в частности использование природных и пассивных источников энергии, которые расположены поблизости под зданием и вокруг периметра здания. Принцип интеграции применен во многих высотных зданиях различного назначения: жилых домах, офисах, гостиницах и др.

Например, в офисном здании «Башня Жемчужной Реки» (Ки­тай) применены следующие системы интеграции (рисунок ниже):

• широкодиапазонная фотогальваническая система, которая интегрирует в себе наружную систему солнцезащиты и наружное остекление фасада (только южные фасады);
• применение фиксированных наружных жалюзи и встроен­ных электропанелей;
• протирку стекол на фасаде для обеспечения качественного естественного дневного освещения с автоматическим контролем ос­вещенности, которая совместно с автоматическими жалюзи регулирует освещенность помещений.

«Башня Жемчужной Реки» (Гуанчжоу, Китай)

Генерация – производство электроэнергии (электрического напряжения и тока) посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств. В высот­ных зданиях применяются ветряные двигатели, насосы, гелиоуста­новки, встроенные в здание ветровые турбины с вертикальной осью, спроектированные с учетом геометрии здания с целью максимально увеличить производительность турбин; автономные источники пи­тания микротурбин, которые представляют собой небольшие газо­вые турбины. Эти микротурбины позволяют зданию вырабатывать экономически чистую энергию с применением технологии, которую можно назвать «в достаточной мере ресурсосберегающей». Обычная городская электросеть теряет до 30-35% энергии в процессе транс­формирования электроэнергии от электростанции потребителю. Два электрогенератора, которые разработаны для «Башни Жемчужной Реки», расположены на том же участке по соседству с башней. Их эффективность – более 80%.

Микротурбины способны работать на различных видах топли­ва, таких как керосин, биогаз, дизельное топливо, пропан и природ­ный газ. Микротурбины имеют воздушное охлаждение. Горячий воздух может быть утилизирован и использован в качестве дополни­тельного источника тепла для здания. Это тепло может быть исполь­зовано для таких функций, как нагрев воды или абсорбционное ох­лаждение. Безопасность, низкий уровень шума и отсутствие вибрации делает микротурбины идеальными для установки на участке поблизости от дома.

Регенерация – использование регенерационных технологий, в соответствии с которыми затрачиваемая энергия компенсируется энергией, произведенной внутри здания. Однажды поступившая из­вне здания энергия или ресурс, например вода, должна быть повтор­но использована вновь и вновь. Пример «Башни Жемчужной Реки» включает в себя применение рециркуляции воздуха для предвари­тельного охлаждения или нагревания поступающего снаружи свеже­го воздуха, предназначенного в первую очередь для вентиляции жи­лых помещений в зависимости от времени года и состояния наруж­ного воздуха. В качестве положительного примера самодостаточно­го здания по потреблению электроэнергии, а также экономного рас­ходования воды можно привести 150-этажное многофункциональ­ное здание «Солар тауэр» (арх. Кисс и «Катчкарт Архитектс»), в ко­тором утилизирующие воду устройства и водоуловители располо­жены с промежутком 30 этажей (по высоте здания). Эти устройства очищают и делают пригодной для повторного употребления дожде­вую и бытовую сточную воду. В результате здание спускает только 10% бытовой сточной воды в городскую канализационную систему.

Энергосбережение – один из видов снижения затрат на ото­пление, кондиционирование, холодоснабжение зданий и комплек­сов. В мировой практике выработаны методы и приемы снижения энергозатрат при эксплуатации зданий, к ним относятся:

• компактность объемно-пространственной формы высотного здания;
• сокращение энергопотребления внутри здания за счет энер­госберегающих технологий;
• рациональная ориентация здания, с учетом инсоляции и опти­мального освещения, эффективное использование солнечной энергии наклонными гелиоприемниками, размещенными на южном фасаде;
• высокие теплозащитные характеристики наружных ограждений;
• применение систем регенерации и рекуперации тепла;
• рациональное потребление воды – применение и использо­вание подземных вод для обогрева и охлаждения помещений здания использование подземных вод в туалетных бачках вместо питьевой;
• применение энергоэффективного освещения;
• комфортность микроклимата помещений (механическая при­точно-вытяжная вентиляция);
• применение альтернативных источников энергии;
• сокращение объемов твердых отходов;
• сохранение природных ресурсов

Объемно-пространственная форма высотных зданий во многом может служить снижению потребления энергии, например, уменьше­нием остекленной поверхности северного фасада, путем создания та­кой формы здания, когда эффективно используются ветровые потоки для естественной вентиляции, что снизит часы работы механической вентиляции. Кроме того, объемно-пространственные решения высот­ных зданий с различными источниками получения энергии значи­тельно отличаются друг от друга. Если обычные высотные здания имеют ветрообтекаемую форму, то при применении ветровых турбин форма здания принимает ветроулавливающее очертание, обеспечи­вающее направленное движение ветровых потоков непосредственно на винты ветровых турбин по вертикали и горизонтали. Форма здания должна обеспечивать улавливание ветра и концентрированную подачу воздушных потоков к ветровым турбинам, например, возможно лепе­стковое расположение секций зданий с образованием концентратора, в узкой части которого размещается ветроприемное устройство. Инте­ресную форму исследовательского проекта здания «Венитиформ» с учетом аэродинамических ветровых воздействий предложил Норман Фостер. Объемно-пространственная форма здания напоминает собой скалу, которая в результате выветривания приобрела аэродинамиче­скую форму. Такая форма высотного здания, направляющая потоки ветра на ветровую турбину, способствует увеличению производства энергии. В здании применена ветровая турбина, которая будет выраба­тывать экологически чистую энергию, достаточную для обеспечения 1500 пригородных домов, разработанных той же фирмой.

Одним из эффективных способов снижения энергии являются архитектурно-планировочные решения – увеличенная ширина кор­пуса здания (14-18 м), минимальное соотношение площади наружных ограждений и ограждаемой площади здания (коэффициент ком­пактности), объемно-пространственная форма здания (снижение ветровой нагрузки, пониженной солнечной освещенности наружной поверхности здания), архитектурно-конструктивные решения, ин­женерные системы и оборудование (отопление, вентиляция и кон­диционирование воздуха, а также осветительные системы).

К ним относится:

• использование высокоэффективных активных двойных стен с внутренней вентиляцией в качестве наружного ограждения с меха­низированными жалюзи;
• радиаторы отопления потолочные на всю ширину здания с системой охлаждения внутри балок по периметру здания для создания комфорта;
• разъединённая (в отличие от «сдвоенной») система вентиля ции, проходящая под приподнятым полом, что обеспечивает досту1 к ней (вариант «с повышенным уровнем доступа»);
• система подсушивания (воздуха) с использованием тепла отведенного от фасада с двойными стенами, которые используютс: в качестве источника энергии;
• потребляющая мало энергии высокоэффективная систем освещения, использующая радиальное расположение осветительных панелей с целью обеспечить оптимальную освещенность.

Эффективным путем экономии энергоресурсов является использование альтернативных источников энергии с помощью гелиоустановок, ветровых турбин, использования энергии земли, комбинированных систем. Устройство гелиоустановок на высотных зданиях заключаются в высоком коэффициенте соотношения поверхности фасада и площади земельного участка. В некоторых климатических зонах и регионах 10 15% потребности высотного здания в электроэнергии можно обеспечивать за счет установки на его фасаде фотоэлектрических генераторов (коллекторов). Размер вышеуказанного объема выработки электроэнергии зависит от формы и ориентирования здания в пространстве, а также от степени затененности. Объем производимой электроэнергии обрати пропорционален плотности высотной застройки. Очевидно также, что более рациональное энергопотребление в процессе эксплуатации здания позволяет покрыть больший процент потребности в электроэнергии вышеуказанным способом.

Ветровые турбины на высотных зданиях производят приблизительно 10-15% от полного потребления энергии зданием. Работа совместно с гелиоустановками, они могут сократить потребление энергии высотным зданием до 20-30%. Еще 10-20% снижения потребления энергии достигается применением установок использования подземного тепла, включая геотермальные источники.

Ветровые генераторы, установленные на «Башне власти» (Тайвань), вырабатывают 8 МВт электроэнергии, достаточной для обеспечения работы инженерного оборудования всего здания (рисунок ниже).

Ветрогенераторы на здании «Башня власти» (Тайвань)

Одним из видов экономии ресурсов является сбережение воды. Практически сбережению водных ресурсов применительно высотным зданиям могут способствовать сбор дождевой воды, повторное использование «серой» (использованной в ваннах и душевых) и морской воды для слива в унитазах. Все это будет способствовать оздоровлению окружающей среды.

Из практики эксплуатации высотных зданий определено, что освещение здания потребляет примерно 20% энергии, эксплуатация лифтов около – 10%, почти вся остальная энергия идет на системы отопления и охлаждения.